www.energie-lexikon.info, enlex.info
RP-Energie-Lexikon
fachlich fundiert, unabhängig von Lobby-Interessen

Turboaufladung

<<<  |  >>>  |  Feedback

Definition: eine Methode zur Steigerung der Leistung oder der Effizienz eines Verbrennungsmotors

Englisch: turbocharging, supercharging

Kategorie: Fahrzeuge

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 05.09.2014; letzte Änderung: 18.10.2015

Die Turboaufladung ist zunächst eine Methode, die Leistung eines Verbrennungsmotors zu steigern. Hierbei wird dem Motor während der Ansaugphase (erster Takt) Verbrennungsluft mithilfe eines Verdichters unter erhöhtem Druck zugeführt, sodass auch die Kraftstoffmenge entsprechend erhöht werden kann. Der Verdichter wird mithilfe einer Turbine angetrieben, die die Energie des Abgasstroms ausnutzt. (Der Begriff Abgasturbolader unterstreicht dies zusätzlich.) Der Verdichter und die Abgasturbine sitzen auf einer gemeinsamen Welle, die im Betrieb eine sehr hohe Drehzahl erreichen kann. Diese Baugruppe wird als Turbolader bezeichnet. Motoren mit Turbolader werden als Turbomotoren oder auch als aufgeladene Motoren bezeichnet. Im Gegensatz dazu stehen Saugmotoren, die über keine Aufladung verfügen.

Der sogenannte Liefergrad des Motors kann durch die Turboaufladung erhöht werden, wenn dabei die theoretisch mögliche Luftmenge bezogen auf die Verhältnisse außerhalb des gesamten Motoraggregats bezogen werden. Wird er dagegen auf die Verhältnisse direkt vor dem Einlassventil bezogen, in der die Turboaufladung den Liefergrad im Wesentlichen nicht.

Heute ist es üblich, einen Turbolader durch einen sogenannten Ladeluftkühler zu ergänzen. Durch die Kompression der zugeführten Luft steigt nämlich deren Temperatur erheblich an, und dies ist aus verschiedenen Gründen nachteilig. Ein Ladeluftkühler kann diese Temperaturerhöhung deutlich reduzieren und damit sowohl zur Leistungssteigerung als auch zur Verbesserung der Effizienz beitragen.

Der Antrieb des Turboladers entzieht dem Motor nicht direkt einen Teil der Antriebsleistung, wie es bei einem Kompressor der Fall wäre. (Bei einem mit Kompressor aufgeladenen Motor wird der Verdichter direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben.) Jedoch steigt tendenziell der Gegendruck im Abgasstrang, sodass die Verluste im vierten Takt ansteigen. Dies kann dadurch einigermaßen ausgeglichen werden, dass man die Rohrquerschnitte im Abgassystem erhöht und den Druckverlust im Schalldämpfer minimiert.

In erster Linie dient die Turboaufladung der Steigerung der Motorleistung bei gegebenem Hubraum. Im Vergleich zu einer Erhöhung des Hubraums, was im Prinzip die einfachere Methode der Leistungssteigerung wäre, erfordert die Turboaufladung eine geringere Erhöhung des Gewichts des Antriebs.

Die Turboaufladung kann auch genutzt werden, um eine gegebene Motorleistung mit einem kleineren und damit leichteren Motor zu erzielen. Dies ist insbesondere bei Fahrzeugen von Interesse – in besonderem Maße bei Flugzeugen.

Erhöht oder vermindert die Turboaufladung nun den Kraftstoffverbrauch?

In der Regel wird die Energieeffizienz sinken, d. h. der Kraftstoffverbrauch zunehmen, wenn der Motor eines Fahrzeugs mit einem gegebenen Hubraum mit der Turboaufladung ausgestattet wird. Wenn jedoch gleichzeitig ein Downsizing angewandt wird, um die Leistung letztendlich nicht zu steigern, ist häufig eine erhöhte Effizienz bzw. ein verminderter Kraftstoffverbrauch möglich. Dies resultiert einerseits daraus, dass der Wirkungsgrad des Motors (insbesondere im Teillastbetrieb) steigen kann, und andererseits aus der Reduktion des Fahrzeuggewichts.

Da die Erhöhung der Leistung natürlich mit einer Erhöhung der mechanischen und thermischen Beanspruchung diverser Teile einhergeht, erfordert die Turboaufladung diverse zusätzliche Maßnahmen, um eine hohe Lebensdauer zu erzielen.

Eine gute Beherrschung stark wechselnder Lastverhältnisse ist bei der Turboaufladung nicht einfach.

Insbesondere beim Einsatz von Fahrzeugen müssen die Motoren mit stark und schnell wechselnden Lastverhältnissen zurechtkommen. Dies ist im Zusammenhang mit der Turboaufladung technisch nicht einfach. Ein besonders bekanntes Problem ist das sogenannte Turboloch, d. h. ein verzögertes Einsetzen der Leistung beim Gasgeben; erst wenn der Abgasstrom als Folge der erhöhten Leistung entsprechend angestiegen ist, kann der Turbolader seine volle Wirkung entfalten. Andererseits soll die Wirkung des Turboladers bei hohen Drehzahlen auch nicht zu stark werden; oft muss sie dann mit einem Bypass (einem Wastegate) reduziert werden, der geeignet angesteuert werden muss. Solche Probleme lassen sich mit diversen Maßnahmen stark vermindern, was jedoch einen erheblichen technischen Aufwand (auch im Zusammenhang mit der Steuerung diverser Komponenten) erfordert. Beispielsweise werden im Turbolader häufig Leiträder eingesetzt, deren Stellung je nach den momentanen Verhältnissen über einen Servoantrieb optimiert wird. In manchen Fällen wird auch ein zusätzlicher direkt vom Motor angetriebener Kompressor (z. B. ein Rootsgebläse) eingesetzt, um das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen anzuheben. Andere Optionen sind die Unterstützung des Turboladers mit einem leistungsfähigen Elektromotor und der Einsatz eines zusätzlichen elektrisch angetriebenen Verdichters (“eBooster”) vor dem Turbolader. Die wesentliche Erhöhung der Komplexität des Antriebssystems in Verbindung mit dem Einsatz teils hoch belasteter Komponenten vergrößert auch die Gefahr von Defekten.

Ein besonderer Fall ist die Anwendung bei Flugmotoren, die auch in großen Flughöhen eine hohe Leistung erbringen sollen. In großer Höhe ist nämlich die Dichte der Luft recht gering, sodass es schwieriger wird, ohne Turboaufladung die Zylinder gut zu füllen. Bei manchen Flugzeugen wurde die Turboaufladung im Wesentlichen nur genutzt, um den Druckabfall bei größeren Höhen auszugleichen. Es ist jedoch auch möglich, allgemein höhere Ladedrucke zugunsten einer erhöhten Motorleistung zu erzielen.

Turbolader können sowohl bei Ottomotoren als auch bei Dieselmotoren eingesetzt werden, wobei jedoch teilweise unterschiedliche technische Aspekte relevant sind, die im Folgenden diskutiert werden.

Turboaufladung von Ottomotoren

Dass die Turboaufladung die Klopfneigung erhöht, begrenzt bei Benzinmotoren den Effekt ihrer Anwendung.

Ein grundlegendes Problem der Turboaufladung bei Ottomotoren (Benzinmotoren) liegt darin, dass der Temperaturanstieg während der Kompressionsphase zunimmt und damit die Neigung zur unkontrollierten Selbstentzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs steigt. Diese Selbstentzündung führt zum sogenannten Klopfen, welches wegen der davon verursachten starken mechanischen Belastung des Motors vermieden werden muss.

Eine gängige Methode zur Verhinderung des Klopfens trotz Turboaufladung ist eine Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses. Dies ist jedoch leider nachteilig für den Wirkungsgrad, da damit auch das Expansionsverhältnis in der Arbeitsphase des Motors reduziert wird. Im Prinzip könnte auch ein Kraftstoff mit erhöhter Klopffestigkeit verwendet werden, jedoch wäre auch hiermit eine weitere Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses eigentlich wünschenswert. Ein effizienter Ladeluftkühler reduziert das Problem ein Stück weit. Andere Methoden sind die zusätzliche Einspritzung von Wasser oder eines Wasser-Methanol-Gemischs, um die zugeführte Luft zu kühlen. Ebenso kann man die Steuerzeiten optimieren, wobei jedoch auch hier Zielkonflikte auftreten. Im Übrigen ist die Benzindirekteinspritzung günstig, da damit der Kühleffekt durch die entzogene Verdampfungswärme des Kraftstoffs optimal ist.

Turbo-Benzinmotoren sind oft in höherem Maße auf die Volllastanreicherung angewiesen, die sich leider sehr negativ auf Kraftstoff verbrauchen Abgasqualität auswirkt.

Eine einfache und häufig angewendete Methode ist die sogenannte Volllastanreicherung, d. h. die Verwendung eines gewissen Kraftstoffüberschusses, der die Verbrennungstemperatur etwas absenkt, beim Betrieb mit hoher Last. Dies hat wegen der dann unvollständigen Verbrennung allerdings einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und scharf ansteigende Schadstoffemissionen zur Folge. Deswegen sollte diese Methode möglichst wenig eingesetzt werden. Der Artikel über die Volllastanreicherung enthält weitere Details.

Eine besonders wirkungsvolle, allerdings auch aufwendige Methode zur Unterdrückung der Klopfneigung bei einem Turbomotor ist die Wassereinspritzung. Sie bewirkt effektiv eine Verstärkung der Ladeluftkühlung und ermöglicht eine wesentliche Steigerung einerseits der Motorleistung und andererseits des Wirkungsgrads. In den letzten Jahren ist die Weiterentwicklung dieser Methode aufgenommen worden, und mit der baldigen Einführung in Serienfahrzeugen ist zu rechnen.

Trotz des genannten Problems, dass die Turboaufladung im Allgemeinen ein etwas reduziertes Verdichtungsverhältnis und tendenziell einen häufigeren Einsatz der Volllastanreicherung erfordert, kann die Energieeffizienz durch Turboaufladung in Verbindung mit Downsizing häufig deutlich verbessert werden. Der kleinere Motor leidet nämlich im Teillastbetrieb weniger als ein größerer unter Drosselverlusten. Hinzu kommt der Effekt des reduzierten Fahrzeuggewichts. Dieser Vorteil kann allerdings ins Gegenteil gewendet werden, wenn häufig mit Vollgas gefahren wird, sodass sich die Volllastanreicherung schädlich auswirkt.

Durch die relativ hohe Abgastemperatur von Ottomotoren ist der Turbolader einer starken thermischen Belastung ausgesetzt. Dies macht die Verwendung von hochtemperaturfesten Werkstoffen in Verbindung mit einer optimierten Konstruktion nötig. Solche Probleme können mit heutiger Technik beherrscht werden, jedoch ist der Aufwand beträchtlich.

Bei hohem Ladedruck und insbesondere in Kombination mit dem Magerbetrieb ist das zuverlässige Zünden der Verbrennung schwieriger. Es kann in diesem Falle notwendig sein, ein verstärktes Zündsystem mit höherer Zündspannung und höherer Zündenergie einzusetzen.

Die Turboaufladung ist bei Benzinmotoren vor allem im mittleren bis hohen Drehzahlbereich wirksam, kaum jedoch bei niedrigen Drehzahlen. Die Elastizität des aufgeladenen Motors ist also geringer als die eines nicht aufgeladenen Motors mit gleicher Maximalleistung (also höherem Hubraum).

Turboaufladung von Dieselmotoren

Im Vergleich zu Ottomotoren spricht bei Dieselmotoren mehr für den Einsatz der Turboaufladung:

Bei Dieselmotoren ist die Turboaufladung besonders wirksam und gleichzeitig technisch eher einfacher zu beherrschen.

Auch bei stationären Motoren kann die Turboaufladung sehr sinnvoll sein – allerdings nicht aus genau den gleichen Gründen wie bei Fahrzeugen.

Aus diesen Gründen ist die Turboaufladung bei Dieselmotoren wesentlich verbreiteter als bei Ottomotoren. Dies gilt für den Bereich von Fahrzeugen, jedoch auch für stationäre Motoren. Bei Letzteren ist zwar die Reduktion des Antriebsgewichts von geringerer Bedeutung, jedoch handelt es sich meist um große Motoren, bei denen die Wirksamkeit und die spezifischen Kosten von Turboladern niedriger liegen als bei kleinen Motoren. Ein wesentlicher Aspekt bei stationären Motoren ist, dass diese nicht ständig wechselnde Betriebsbedingungen durchlaufen müssen, was die Anwendung eines Turboladers stark erleichtert.

Siehe auch: Verbrennungsmotor, Ottomotor, Dieselmotor, Saugmotor, Klopfen beim Ottomotor, Hubraum, Liefergrad, Kraftstoffeinspritzung, Wassereinspritzung, Volllastanreicherung, Downsizing von Verbrennungsmotoren
sowie andere Artikel in der Kategorie Fahrzeuge

Kommentare von Lesern

Hier können Sie einen Kommentar zur Veröffentlichung vorschlagen. Über die Annahme wird der Autor des RP-Energie-Lexikons nach gewissen Kriterien entscheiden. Im Kern geht es darum, dass der Kommentar für andere Leser potenziell nützlich ist.

Ihr Name:
(freiwillige Angabe – auch Pseudonyme sind erlaubt)
Ihre E-Mail-Adresse:
(freiwillige Angabe)
Ihr Hintergrund:
(freiwillige Angabe, z. B. Energieberater, Handwerker oder Journalist)
Ihr Kommentar:
Spam-Prüfung:   (bitte die Summe von fünf und zwölf hier als Ziffern eintragen!)

Bem.: Mit dem Abschicken geben Sie Ihre Einwilligung, Ihren Kommentar hier zu veröffentlichen. (Sie können diese später auch widerrufen.) Da Kommentare zunächst vom Autor durchgesehen werden, erscheinen sie verzögert, z. B. erst am Folgetag oder evtl. noch etwas später.

Wie gefällt Ihnen dieser Artikel?

Ihr Gesamteindruck: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Fachliche Qualität: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Lesbarkeit: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Verdient dieser Artikel (oder das Energie-Lexikon insgesamt) Ihrer Ansicht nach Links von anderen Webseiten?
  nein eventuell ja
Kommentar:

Vielleicht haben Sie auch konkrete Vorschläge für inhaltliche Ergänzungen, nützliche Literaturangaben etc. Falls Sie eine bessere Website für dieses Thema kennen, sind wir dankbar für einen Hinweis darauf.

Wenn Sie einen Kommentar zur Veröffentlichung auf unserer Seite vorschlagen möchten, verwenden Sie dazu bitte das Formular im Kasten "Kommentare von Lesern".

Spam-Prüfung: (bitte den Wert von 5 + 8 hier eintragen!)

Wenn Sie eine Antwort möchten, können Sie Ihre E-Mail-Adresse im Kommentarfeld hinterlassen oder direkt eine E-Mail senden. Letztere Methode führt meist zu schnelleren Antworten.

Wenn Ihnen das RP-Energie-Lexikon gefällt, möchten Sie vielleicht auch den RP-Energie-Blog als E-Mail-Newsletter abonnieren.

Teilen Sie den Link auf diesen Artikel mit anderen:

Wikipedia-Autoren

Falls Sie Autor bei der Wikipedia sind, möchten Sie vielleicht hier und da nützliche Links auf das RP-Energie-Lexikon einfügen.

Sinnvoll ist dies sicher; schließlich gehören die Texte des RP-Energie-Lexikon zu häufig zu den nützlichsten, die man zu diesen Themen finden kann.

Möglich sind sowohl Einzelnachweise im Text (wenn Sie bestimmte Aussagen belegen möchten) als auch allgemeine Weblinks in einer entsprechenden Liste.

Bitte beachten Sie, das Links auf das RP-Energie-Lexikon inzwischen nur noch per HTTPS gemacht werden sollten. Beispielsweise für die Startseite sieht dies so aus: https://www.energie-lexikon.info/

Übrigens dürfen Sie gerne auch direkt auf beliebige andere Seiten verlinken; wir haben kein Problem mit sogenannten deep links.

– Alle Banners –

– Ihr eigenes Banner! –

Die Startseite gibt Ihnen den Einstieg in das RP-Energie-Lexikon, auch mit Tipps zur Benutzung.
Hier finden Sie diverse Ratgeber-Artikel, insbesondere im Bereich der Haustechnik.
Hiermit wird Ihnen ein zufällig ausgewählter Lexikonartikel angezeigt.
Der RP-Energie-Blog präsentiert Interessantes und Aktuelles zum Thema Energie. Er ist auch als E-Mail-Newsletter erhältlich.
Hier finden Sie die Kontaktinformationen und das Impressum.
Werden Sie ein Sponsor des RP-Energie-Lexikons – des besten deutschsprachigen Energielexikons im Internet!
Hier erfahren Sie mehr über den Autor des RP-Energie-Lexikons und seine Grundsätze.
Hier können Sie die Artikel des RP-Energie-Lexikons nach Kategorien geordnet durchstöbern.
Verbreitete Irrtümer zu Energiefragen werden hier detailliert aufgedeckt.
Der Glossar fasst die Definitionen von Fachbegriffen aus den Artikeln zusammen.
Mit dem Energie-Quiz können Sie Ihr Wissen im Energiebereich testen und vertiefen.
Hier werden die Hintergründe des Projekts beschrieben, auch die gewählten Grundsätze.
Mit zigtausenden von Nutzern pro Monat ist das RP-Energie-Lexikon zu einer interessanten Werbeplattform geworden.
Vom Autor des RP-Energie-Lexikons können Sie auch Beratung erhalten, insbesondere zu Energie-Technologien.
Hier finden Sie die Liste aller Artikel zu einem bestimmten Anfangsbuchstaben.
Hier können Sie nach Artikeln suchen, deren Titel ein bestimmtes Stichwort enthalten.
(Beachten Sie auch die Volltextsuche beim Menüpunkt "Suche"!)